Artificiell fotosyntes

Vattenoxidation – den oxidativa delen av artificiell fotosyntes

Inom artificiell fotosyntes vill man fånga solenergi och lagra den i kemiska bindningar, som ett kemiskt bränsle. Den naturliga fotosyntesen står som förebild och inspirationskälla. I den naturliga fotosyntesen används solenergi för att spjälka vatten till syrgas protoner och elektroner. Den reducerande energin i dessa elektroner lagras i olika produkter, till exempel glukos, för att kunna användas som en energikälla när det behövs.

Den här typen av reaktioner vill vi efterlikna inom artificiell fotosyntes, att kunna lagra solenergi som ett kemiskt bränsle (ett solbränsle). Ett av målet har varit att utveckla katalysatorer för vattenoxidation. Katalysatorerna ska vara baserade på metaller ut första radens övergångsmetaller och kunna drivas med energin från solen.

För att kunna utnyttja vattenoxidationskatalysatorn i ett system som använder sol och vatten för att göra ett bränsle så måste vattenoxidationen kopplas till en reduktiv process där bränslet produceras. Vi kan till exempel reducera de protoner som frigörs vid vattenspjälkningen till vätgas. Då får vi ett bränsle med högt energiinnehåll utan att behöva använda något annat än sol och vatten. Vi skulle också kunna använda samma vattenoxidationskatalysator men koppla samman den med andra katalysatorer för att reducera koldioxid tillsammans med protonerna och producera metanol. Hur vi än väljer att utforma vår uppställning för artificiell fotosyntes så kommer vattenoxidationskatalysatorn att vara en central komponent.

En schematisk uppställning för hur en komplett cell för ljusdriven vattenoxidation och vätgasproduktion skulle kunna se ut. Till vänster är den oxidativa halvcellen som vår grupp fokuserar på. Till höger är den reduktiva halvcellen.

Våra delprojekt 

Koboltbaserade katalysatorer för ljusdriven vattenoxidation

Detta projekt är ett samarbete med Sascha Ott och Stenbjörn Styring

Vi jobbar med att utveckla koboltbaserade vattenoxidationskatalysatorer, både molekylära och heterogena varianter. Vi har utvecklat system som kan driva vattenoxidationen med hjälp av ljus och jobbar nu på att fästa dessa system på elektrodytor för att skapa fotoanoder som ska kunna användas för solbränsleapplikationer.

Läs mer på den engelska sidan.

Två exempel på molekylära koboltbaserade katalysatorer som vi studerar.

Järnbaserade katalysatorer för ljusdriven vattenoxidation

Järn är en billig och väldigt ofarlig metall som vore utmärkt att använda i katalysatorer för vattenoxidation. Vi jobbar med molekylära föreningar och har tagit fram ett system som kan drivas med ljusenergi.

Läs mer på den engelska sidan

Till toppen av sidan

Bio-oorganisk kemi

Dimetall-karboxylat proteiner som innehåller järn och mangan – varför är det två olika metaller istället för en?

I naturen finns en mängd av enzymer som innehåller metalljoner i det aktiva sätet. Metalljonerna ger möjligheter för enzymerna att katalysera kemiska reaktioner som annars hade varit svåråtkomliga. En klass av enzymer innehåller två järnjoner i det aktiva sätet och har kallats dijärn-karboxylat proteiner eller dimetall-karboxylat proteiner. Som namnet antyder är metalljonerna i det aktiva sätet bundna till, och bryggade av, flera karboxylsyragrupper. De mest studerade medlemmarna i familjen är bakteriella multikomponent-monooxygenaser (BMMOs), särskilt lösligt metanmonooxygenas (sMMO), och ribonukleotid reduktas R2 proteiner (RR2s).

Nyligen har man hittat nya proteiner som i stället för två järnatomer har en järnatom och en manganatom i det aktiva sätter. Dessa järn-mangan proteiner katalyserar så vitt man vet samma typ av reaktioner som järn-järn varianterna och i de förslagna mekanismerna finns högvalenta metalljoner (FeIII, FeIV, MnIII och MnIV) i viktiga intermediat, precis som i t.ex. sMMO.

Tillsammans med grupper vid Stockholm Universitet, Freie Universität Berlin, och Technische Universität Kaiserslautern har vi ett projekt där vi studerar dessa Fe-Mn varianter av dimetall-karboxylat proteiner. Vi är särskilt intresserade i frågor som rör specificitet för de olika metallerna. Hur vet enzymet vilken metalljon det ska binda var och hur kan det skilja mellan de olika metalljonera. Och varför binder enzymet två olika metalljoner och inte bara en sorts, kan ett järn-mangan-enzym utföra en annan sorts kemi än ett järn-järn-enzym?

Det aktiva sätet med en järnjon och en manganjon i en R2 homolog från Mycobacterium tuberculosis.

projekt

Järn-mangankomplex som biomimetiska modeller för en ny klass av dimetall-karboxylat proteiner

Detta projekt är ett samarbete med Sascha Ott

I detta projekt så syntetiserar och karaktäriserar vi komplex som innehåller järn och mangan. Vi är speciellt intresserade i frågor som rör specificitet för metaller och skillnader i reaktivitet mellan dinukleära komplex som innehåller bara järn, bara mangan eller både järn och mangan. Vi vill använda en kombination av elektrokemi och spektroskopiska mätningar för att studera Fe-Fe, Fe-Mn och Mn-Mn komplex med samma ligander i vattenlösning.

En grupp komplex med Fe-Fe, Fe-Mn och Mn-Mn sammansättning som studeras i projektet.

Läs mer på den engelska sidan.

Till toppen av sidan